微型横向热电装置实现高效能量收集与电容存储的突破性研究

这篇研究报道了一种微型化横向热电装置(TED)，通过协同利用反常能斯特效应(ANE)和自旋塞贝克效应(SSE)，在硅基底上实现了<0.17 mm2的超小尺寸和>10 mV的热电输出。该装置采用CoTb铁磁合金/非磁性金属异质结构，通过组分优化和磁场调控，首次演示了热电能量在电解电容中的稳定存储（250次循环无衰减），为微电子器件废热回收提供了创新解决方案。

　　

微型横向热电装置的创新设计与性能突破

引言

在微电子领域，电阻加热导致的能量损耗高达60%以上。传统纵向热电装置(TED)受限于三维结构和低热导率材料，难以集成到芯片级器件中。横向TED通过正交于温度梯度(?T)方向产生电压，为微能量收集开辟新途径。本研究通过CoTb铁磁合金的精准设计，实现了反常能斯特效应(ANE)和自旋塞贝克效应(SSE)的协同增强。

材料优化与机理

实验发现Co_1-xTb_x合金中15-20%的Tb含量可实现最佳性能：

• ANE系数提升6倍（达1 μV K^-1）

• 矫顽力(B_c)增至20 mT，实现零场稳定运行

• 多层结构设计使功率因子(P_f)提升3倍

器件工程创新

采用"磁硬/软线交替"的20线串联结构：

• 单线电压0.4 mV → 20线叠加达4 mV（直流）

• 脉冲加热模式下创纪录输出10 mV

• 热响应时间达毫秒级，兼容芯片级热波动

能量存储验证

首次实现热电-电容耦合系统：

• 0.22-1 mF电解电容充放电效率>99%

• 15小时连续循环测试保持4 mV稳定输出

• 理论推算可存储0.6 mC电荷量

应用前景

该技术突破三大瓶颈：

1. CMOS兼容的平面工艺

2. 零磁场工作模式

3. 与现有散热架构共存

   未来通过材料筛选（如拓扑磁体）和三维集成，有望为物联网传感器、边缘计算等场景提供原位供能方案。